1、1第二章继电保护的硬件结构2北京四方公司董事长中国工程院院士华北电力大学杨奇逊教授 南京南瑞继保董事长中国工程院院士沈国荣（左一）微型机继电保护3一、微机保护装置硬件按功能可分为五部分：1)数据采集单元 包括电压形成和模数转换等功能块，将模拟输入量尽可能准确地转换为数字量。2）数据处理单元（微机主系统）包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器、定时器及并行口等。微处理器执行存放在只读存储器中的程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能。微机继电保护硬件系统的构成43)开关量输入/输出接口 由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器组成，完成各种保护的出口
2、跳闸、信号报警、外部接点输入及人机对话等功能。4）通信接口 实现多机通信与联网。5）电源 供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。微机继电保护硬件系统的构成5微机保护的功能结构（数据采集系统）数据采集系统微机主系统串行通信输入/输出系统来自电流互感器电压互感器数据采集系统:完成将模拟输入量准确转换为微型机能够识别的数字量。6微机保护的功能结构（微机主系统）数据采集系统微机主系统串行通信输入/输出系统来自电流互感器电压互感器微机主系统：执行编制好的程序，对由数据采集系统输入至RAMRAM区的原始数据进行分析、处理，完成各种继电保护的测量逻辑控制功能。7微机保护的功能结构（开关量
3、输入、输出系统）数据采集系统微机主系统串行通信输入/输出系统来自电流互感器电压互感器开关量输入/输出系统：完成各种保护的出口跳闸、信号外部触点的输入、人机对话及通信功能。8二、按照所采用的CPUCPU的多少来划分1.1.单CPUCPU微机保护 2.2.多CPUCPU微机保护R-MR-M结构：一个CPUCPU完成所有保护功能、单独设置一管理CPUCPU完成人机交互及通讯等功能。nR-MnR-M结构：将一套完整的保护功能分担给多个CPUCPU分别完成、设置一管理CPUCPURR-MRR-M结构：由一个CPUCPU完成所有保护功能，设置同样的CPUCPU构成保护的双重化、设置一管理CPUCPU 微机
4、继电保护硬件系统的构成9单CPU微机保护构成示意图数据采集系统微机主系统串行通信输入/输出系统来自电流互感器电压互感器10RM结构11nRM结构12RRM结构13 对于一个具体的微机保护装置，通常将硬件电路按功能分别布置在几个PCBPCB板上称为保护的“插件”，各插件安装于一个机箱中，采用总线把各插件联系在一起，构成一套完整的保护装置。从结构上看，一个完整的微机保护包含以下几部分：机箱、插件、面板、总线 微机继电保护硬件系统的构成14 微机继电保护硬件系统的构成15 微机继电保护硬件系统的构成1617运行中的变电站18现场应用的微机保护19发电厂值班人员监视机组生产20数据采集系统微机主系统串
5、行通信输入/输出系统来自电流互感器电压互感器一、数据采集单元21一、数据采集单元电压形成电压形成ALFALFALFALFS/HS/HS/HS/HM MU UX XA/DA/D.22（一）电压形成常识：1.微机保护输入的电气量2.电力系统短路故障后电气量的变化3.数据采集系统处理的一般都是电压信号，根据采用的模数转换器件不同，其输入信号范围不同。4.变换器的种类23电压变换器：作用：1）将电压互感器二次的电压变换为适合A/D芯片量程的信号。2）电磁隔离。原理：和变压器的工作原理相同 （一）电压形成24 举例：湖北某公司生产的保护用电压变换器规格输入电压额定值（V）输出电压额定值（V）输入电压过载
6、倍数非线性度空载电流（mA）工频耐压（V）比差（%）角差（分）57.7V/3.53V57.73.531.20.1100.52500100V/2.88V1002.881.50.1100.52500100V/3.53V1003.531.50.1100.5250025电流变换器：作用：1）将电流互感器二次的电流变换为适合A/D芯片量程的信号。2）电磁隔离。原理：类似于电流互感器的工作原理 （一）电压形成26举例：电流变换器产品主要规格技术参数规格输入电流额定值(A)输出电压额定值(V)最大过载电流(A)最大过载时输出电压（V）非线性度功率消耗(VA)工频耐压(V)比差(%)角差(分)20A/3.53
7、V10.1765203.530.1100.1250020A/7.07V10.3535207.070.1100.1250050A/4V50.45040.1100.12500100A/3.53V50.17651003.530.1100.1250027（二）模拟低通滤波电路一、常识1）电力系统故障后的暂态信号的频率成分 2）采样频率与采样定理 由采样值能完整正确和唯一地恢复输入连续信号的充分必要条件是：采样率fs应大于输入信号的最高频率fmax的2倍，即fs2fmaxMiiiittAtAeAtf2110)sin()sin()(283）硬件能力 短路瞬间电流、电压中含有高频率信号，为了防止混叠误差，要
8、求采样频率很高，势必增加对硬件的要求。实际上目前大多数微机保护原理多是反映工频量的，或反映某些高次谐波，故可以在采样之前将最高信号波频率分量限制在一定频带内。一般在采样前用一个低通滤波器（ALF）将高频分量滤掉。（二）模拟低通滤波电路29RC无源低通滤波器电路（二）模拟低通滤波电路30（三）采样保持器模拟信号进行A/D转换时，有以下实事：从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号输入频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/DA/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A AD D转换结
9、束后又能跟踪输 入信号的变化。能完成这种功能的器件叫采样保持器。采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。31采样保持器的工作原理 采样保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路。它主要由模拟开关K K、电容CH CH 和缓冲放大器A A组成。（三）采样保持器32采样保持器的工作原理33采样保持器工作示意注意：采样频率 34采样/保持器工作时序图35采样保持器器件举例LF398LF398 LF398典型的参数如下：运算放大器的输出阻抗不大于6欧姆，输入阻抗高达10000兆欧姆，电压下降率为2mv/s，电压按误差小于0.1%的精度跟踪输入信号，最小采样脉冲宽度（或称
10、为截获时间）大约为20微秒。36（四）多路转换开关 保护装置通常需对多个模拟量同时采样，获取各电气量之间的关系。各采样保持器的逻辑输入端并联后由定时器同时供给采样脉冲。为降低成本，数据采集系统硬件设计中常采用多路采样保持通道共用一个模数变换器的方案。用多路转换开关实现通道切换，轮流由公用的模数转换器将模拟量转换成数字量。37 多路转换开关是一种多信号输入、单信号输出的电子切换开关器件，可由CPUCPU通过编码控制将多通道输入信号（由S/HS/H送来）依次与其输入端连接，而输出端与模数变换器输入端连接，在CPUCPU控制下逐一将各通道采样值变换成数字量。（四）多路转换开关38（四）多路转换开关3
11、9（五）模拟转换器（A/D）模数转换器可以认为是一种编码电路。它可以实现将模拟的输入量 相对于参考电压 经过一个编码电路转换成数字量D。用二进制数表示为：IUREFUnnBBBD2.222211nBB 1式中：为二进制数的0或1。其中D是一个小于1的数。从而，模拟信号可表示为：REFIUUD REFIDUU 40模数转换器的分类41逐次逼近型模数转换器421 1）逐次逼近型电路结构框图 2 2）工作原理 第一次设定数码：1 0 0 0 URUO URUO URU0 UR 第四次设定数码：1111 1101 1011 1001 0111 0101 0011 0001433 3）优缺点 由于逐次逼
12、近型模数转换器在1 1个时钟周期内只能完成1 1位转换。n n位转换需要n n个时钟周期，故这种模数转换器采样速率不高,输入带宽也较低。它的优点是原理简单，便于实现-不存在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。（五）模拟转换器（A/D）44VFC变换式A/D转换器 基本原理：用待转换的电压V V控制计数脉冲的频率，使脉冲频率正比于电压V V，而计数间隔不变，则计数结果也代表输入了电压的大小。这种模数转换称为电压-频率型（V-F型）模数转换，简称VFC。45VFC工作原理当开关S闭合ATTRfoUUdtRCdtUCRU0000111当开关S打开时 TTAUdtRCU010TRCUTCRU
13、fR0KUUTRURTfRf0146VFCVFC变换式A/DA/D转换器472sin2)(sNTfHVFC具有低通滤波器的作用。其幅频响应可以表示为：48VFC型A/D转换器原理框图浪涌吸收器：由RC网络构成，可吸收高频干扰信号。电压频率变换器：由VFC芯片实现电压到频率的转换。将模拟信号变为数字信号。光电隔离器：由光电隔离芯片实现模拟系统与数字系统的隔离，具有抗干扰的作用。计数器：由可编程的计数器芯片构成，通常为16位计数器。在单片机的干预下，在每次采样中断中，读取计数器的计数值。49 A/DA/D转换器的性能指标:（1）分辨率 （2）转换速率与转换时间 （3）量化误差 （4）线性度 （5）
14、量程 （6）其他指标 （五）模拟转换器（A/D）50A/DA/D转换器的性能指标:（1）分辨率A/D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。直接型A/D芯片以其输出的数字信号的位数衡量。VFC式数据采集系统：1、VFC芯片输出的最高频率 2、计算间隔NTs的大小（五）模拟转换器（A/D）skNTfDmax51A/DA/D转换器的性能指标:（2）量程 量程是指A/D转换器所能转换模拟信号的电压范围。（3）精度 绝对精度、相对精度（4）转换速率与转换时间（五）模拟转换器（A/D）52 采用A/DA/D和VFCVFC构成的数据采集系统的差异采用A/D构成的数据采集系统的分辨率决定于A/D芯片的位数。位数
15、越高，分辨率也越高。而由VFC芯片构成的数据采集系统的分辨率不仅与VFC芯片的最高转换频率有关，而且还与软件计算时所选取的计算间隔有关。计算间隔越长，分辨率越高。A/D转换的结果可直接用于微机保护中的数字运算。而采用VFC芯片构成的数据采集系统中，需将相邻几次读出的计数值相减后才能用于数字运算。53采用A/D构成的数据采集系统是对模拟量的转换，而VFC芯片构成的数据采集系统具有平滑高频干扰的作用。采样间隔越大，这种平滑作用越明显。因此，在需要提取高次谐波时，如果采用VFC式数据采集系统，采样频率不应过低。采用VFC器件构成的数据采集系统，经过光电隔离，实现了模拟电路和数字电路的完全隔离，能够抑
16、制共模干扰，提高了装置的抗干扰能力。54二、数据处理单元（微机保护主系统）微机保护的主系统又称为数字处理系统是指除I/O设备外的微机保护系统的核心部分。微机保护的主系统和其它控制系统的主系统没什么区别。其作用是：进行数字运算、逻辑处理与I/O控制。并行接口 处理器EPROM RAM FLASHEEPROM 时钟 译码逻辑 定时器串行接口55例1.EPROM56例2.FLASHROM57例3.静态RAM58例4.EEPROM59例5.实时时钟60例6.译码逻辑61EA8031P2.0P2.5P2.6P2.7ABC74LS138Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G2AG2BG1A0.A126264A
17、0A182558155AD0.AD75VCECSCE10/MCECSXFER82530832A0A162尝试计算CS1、CS2、CS3的地址范围1245674LS21ABC123G1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y71514131211109774LS138ABC123G1G2AG2BY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y71514131211109774LS138VCCGNDVCCA15A14A13A10A9A11CS1CS2CS363三、开关量输入/输出接口微机保护所采集的信息通常分为模拟量和开关量光电耦合器件的作用及应用一、光电耦合器件及其作用 光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器，有
18、时简称光耦。这是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。64光耦器件的特点隔离性能好，输入端与输出端完全实现了电隔离，其绝缘电阻高，绝缘耐压一般能超过lkV，有的可达10kV以上。光信号单向传输，输出信号对输入端无反馈，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递。光信号不受电磁干扰，工作稳定可靠。抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消除噪音。光发射和光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。易与逻辑电路连接。无触点、寿命大、体积小、耐冲击。工作温度范围宽，符合工业和军用
19、温度标准。65光耦器件在微机保护中的应用：在微机保护中，光耦器件一般均作为具有开关特性的接口器件使用，包括：（1）开关量输入电路 （2）开关量输出电路 （3）打印机接口电路 （4）脉冲接口电路 （5）通信接口电路66 （1 1）开关量输入电路 开关量输入DIDI（简称开入）主要用于识别运行方式、运行条件等，以便控制程序的流程。如重合闸方式、收讯状态和定值区号等。按照接点状态分为如下两类：1 1）装在装置面板上的接点。如人机对话的键盘及切换装置工作方式用的转换开关。2 2）从装置外部经端子排引入装置的接点。如在运行中切换的各种压板、转换开关等。三、开关量输入/输出接口67（1 1）开关量输入电路
20、三、开关量输入/输出接口68 （2 2）开关量输出电路 开关量输出DODO（简称开出）主要包括保护的跳闸出口、本地和中央信号以及通信接口、打印机接口等。三、开关量输入/输出接口69开关量输出电路4569118124324VVCCP0P170继电器输出电路71四、通信接口并行通信数据各位同时传送串行通信数据按照一位一位的顺序传送72四、通信接口 串行通信常用于保护装置与其他硬件装置或上位机之间的数据传送。串行通信是指将构成字符的每个二进制数据位依据一定的顺序逐位进行传送的通信方法。串行通信两种基本的通信方式：异步通信 同步通信73 1 1、异步通信 依靠起始位、停止位保持通信同步。数据传送按帧传
21、输，一帧数据包含起始位、数据位、校验位和停止位。742 2、同步通信 依靠同步字符保持通信同步。由1 12 2个同步字符和多字节数据位组成，同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据；多字节数据之间不允许有空隙，每位占用的时间相等；空闲位需发送同步字符。75五、电源 微机保护装置对电源要求比较高，通常这种电源时逆变电源，即将直流逆变为交流，在把交流整流为保护装置所需的直流电压。逆变电源具有很强的抗干扰能力。76微机保护软件构成 微机保护装置的软件通常分为监控程序和运行程序两部分。监控程序包括人机对话接口命令处理程序及为插件调试、定值调整、报告显示等所配置的程序。运行程序指保护装置在运行
22、状态下所需执行的程序。77微机保护软件构成微机保护运行程序软件一般可分为两个模块：（1）主程序包括初始化、全面自检、开放及等待中断等程序。（2）中断服务程序采样中断：数据采集与处理、保护启动判定。串行口中断：完成保护CPU与保护管理CPU间的数据传送。（保护的远方整定、复归、校时及信息的上传）中断服务程序中包含故障处理程序子模块，在保护启动后投入，用以进行保护特征计算判定故障性质78主程序初始化（一）堆栈寄存器赋值、控制口的初始化初始化（二）给并行控制口置位，使继电器处于正常状态。选定所需的定值套号，放至规定的定值RAMRAM区。全面自检包括RAMRAM区读写检查、EPROMEPROM中程序和EEPROMEEPROM中定值求和检查、开出量回路检查等。79写在最后写在最后成功的基础在于好的学习习惯成功的基础在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
